Kontaktikulma

Question: Mitä tarkoittaa kontaktikulma?




Kontaktikulma on kiinteän faasin rajapinnan ja nestefaasin rajapinnan tangentin välinen kulma θ.
Sopimuksen mukaan kontaktikulma mitataan nestefaasin puolelta. Kun nestepisara asetetaan kaasufaasin rajoittamalle kiinteälle pinnalle, muodostuu kolmen faasin välinen rajapinta. Rajapinta liikkuu, kunnes interfasiaaliset pintajännitykset ovat tasapainossa.[1]
Tasapainotilanteelle saadaan yhtälö 






γ

G
S


=

γ

L
S


+


γ

G
L


cos
⁡
(
θ
)



{\displaystyle \gamma _{GS}=\gamma _{LS}+{\gamma _{GL}\cos(\theta )}}





missä 




γ

G
S




{\displaystyle \gamma _{GS}}

 on kaasufaasin (G) ja kiinteän faasin (S) välinen pintajännitys, 




γ

L
S




{\displaystyle \gamma _{LS}}

 on nestefaasin (L) ja kiinteän faasin välinen pintajännitys ja 




γ

G
L




{\displaystyle \gamma _{GL}}

 kaasufaasin ja nestefaasin välinen pintajännitys. [1] Yhtälö tunnetaan Youngin yhtälönä, ja kulmaa θ kutsutaan Youngin kontaktikulmaksi. [2]
Kontaktikulman ollessa < 90 °, cos θ > 0, jolloin nestefaasin ja kiinteän faasin välinen pintajännitys 




γ

L
S




{\displaystyle \gamma _{LS}}

 on pienempi kuin kaasufaasin ja kiinteän faasin välinen pintajännitys 




γ

G
S




{\displaystyle \gamma _{GS}}

. Tällöin neste kostuttaa kiinteän aineen. Jos kontaktikulma on 0 °, pinta on täydellisesti kostunut. [1]
Kontaktikulman ollessa > 90 °, cos θ < 0, jolloin nestefaasin ja kiinteän faasin välinen pintajännitys 




γ

L
S




{\displaystyle \gamma _{LS}}

 on suurempi kuin kaasufaasin ja kiinteän faasin välinen pintajännitys 




γ

G
S




{\displaystyle \gamma _{GS}}

. Tällöin neste ei kostuta kiinteää ainetta. [1]
Kontaktikulman hystereesi
Youngin yhtälön kolme parametria 




γ

G
S




{\displaystyle \gamma _{GS}}

, 




γ

L
S




{\displaystyle \gamma _{LS}}

 ja 




γ

G
L




{\displaystyle \gamma _{GL}}

 määrittelevät yhden kontaktikulman θ. Käytännössä kuitenkin kiinteällä pinnalla olevan nestepisaran tila ei ole aina tasapainossa, eikä mitattu kontaktikulma aina vastaa Youngin kontaktikulmaa θ. [2]
Kun kolmen faasin rajapinta on liikkeessä, muodostuvaa kontaktikulmaa kutsutaan dynaamiseksi kontaktikulmaksi. Mittaamalla kontaktikulma, kun nestepisaraa laajennetaan ja pienennetään, saadaan etenevä kontaktikulma 




θ

a




{\displaystyle \theta _{a}}

  (advancing contact angle) ja vetäytyvä kontaktikulma 




θ

r




{\displaystyle \theta _{r}}

 (receding contact angle). Näiden kulmien välistä erotusta kutsutaan hystereesiksi H,





H
=

θ

a


+

θ

r




{\displaystyle H=\theta _{a}+\theta _{r}}





Kontaktikulman hystereesin katsotaan aiheutuvan pinnan epätasaisuudesta ja/tai heterogeenisuudesta. Ideaalisilla kiinteillä pinnoilla hystereesiä ei esiinny, ja mitattu kontaktikulma vastaa Youngin kontaktikulmaa θ. [2]
Kontaktikulma käytännössä
Kontaktikulman suuruus riippuu kontaktissa olevien aineiden ominaisuuksista. Mikäli neste ja kiinteä faasi ovat samankaltaisia (molemmat joko hydrofobisia tai hydrofiilisiä), kontaktikulma on pieni. Mikäli neste- ja kiinteäfaasi ovat keskenään erilaisia (toinen hydrofobinen ja toinen hydrofiilinen), kontaktikulma on suuri. Esimerkiksi veden ja monien hiilivetyjen sekä TefloninTM (polytetrafluorieteeni) väliset kontaktikulmat ovat suuria. Kun veden ja pinnan kontaktikulma θ > 150 °, sanotaan pinnan olevan superhydrofobinen. [1] Kun veden ja pinnan välinen kontaktikulma θ < 10 °, pintaa kutsutaan superhydrofiiliseksi. Ominaisuuksiltaan erilaisia pintamateriaaleja löytyy esimerkiksi kasvien lehdistä. Joidenkin kasvien lehdet osoittavat superhydrofobisuutta, kuten kaalin (Brassica Oleracea )lehdet , kun taas erään petunialajikkeen (Ruellia Devosiana) lehdet ovat hyvin hydrofiiliset. [3]
Itsepuhdistuvat pinnat perustuvat pinnan superhydrofobisuuteen. Lika tarttuu pinnalta pois kierivään vesipisaraan. [4] Tulevaisuudessa materiaaleja, joiden välinen kontaktikulma on suuri, voidaan käyttää esimerkiksi jäänestosovelluksissa. [5]
Kontaktikulman mittaaminen
Kontaktikulman mittaamiseen on lukuisia menetelmiä. Yleisin näistä on pisaramenetelmä. Muita menetelmiä ovat muun muassa Wilhelmyn levy –menetelmä ja kapillaarinousumenetelmä. [2]
Taulukossa on esimerkkejä veden ja glyseriinin kontaktikulmista erilaisilla pinnoilla.































Kontaktikulmat [6] [7] [8]PintaVesiGlyseriiniFEP114,3°PP100,8°PDMS96,6°PTFE93,1°PS92,9°104°PES81,2°PET67°Teräs51,2°Kulta17,1°Lasi15,6°28,5°Mica3,9°PMMA70,9°70,64°
Katso myös
Pintajännitys
Kontaktikulman mittaaminen
Hydrofobinen
Hydrofiilinen
Lähteet


Luokka:Kemia
Luokka:Fysiikka
Luokka:Kulma